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龍門式激光MAG焊在車頂通長板焊接中的應用

作者:鋼結構網    
時間:2009-12-23 10:04:33 [收藏]

      (1、蘭州理工大學甘肅省有色金屬新材料國家重點實驗室,甘肅蘭州730050;2中國南車集團四方機車車輛股份有限公司,山東青島26631)

      摘要:介紹了美國Jetline公司制造的龍門式激光自動跟蹤MAG焊機的基本結構、工作原理和基本操作,并制定了龍門焊機焊接軌道車輛車頂通長板的工藝措施。

      關鍵詞:龍門焊機;激光跟蹤;激光傳感器

      序言

      傳統軌道車輛客車鋼結構車頂板一直沿用分段搭接的方式,焊縫包括中頂板及中頂板弧形搭接焊縫,共20多段,每段長2.9m;中頂板與通長側頂板的搭接長直焊縫,共計2段,每段長25.5m。采用的焊接方法是手工CO2氣體保護焊,其特點為:速度慢,效率低[1、2]、外觀不美觀、焊工勞動強度大。為改變這一落后狀況,南車四方公司將車頂分段焊接的中頂板改為通長板以減少焊縫的數量,如圖1所示。并從美國Jetline公司引進一臺龍門式激光跟蹤自動焊機,用于車頂板焊接,配合通長中頂板漲拉工藝,大大提高了車頂焊接的自動化水平。

      1結構與跟蹤原理

      龍門焊機主要由以下幾部分組成:lnvision456型逆變脈沖,Miller焊機、JST激光焊縫跟蹤系統、Lincoln型Miller程控送絲機、Lincoln焊接煙塵吸收裝置、冷卻系統和龍門架、導軌、電纜等附屬裝置,如圖2所示。

      龍門焊機焊縫自動跟蹤功能由JST激光焊縫跟蹤系統完成,它主要由工業PC、CCD激光傳感器、十字滑塊、監視器、控制器以及連接電纜等組成。工業PC內的SAPEⅡ集成電路板是焊縫跟蹤系統的核心,工作原理如圖3所示。

      由圖3可知,焊縫的位置特征和幾何輪廓經傳感器中的CCD攝入圖像并經處理,送入圖像采集卡經過A/D轉換成8bit數字信號,以中斷傳送方式經PCI總線送入SAPEⅡ板的內存。SAPEⅡ板調用圖像處理程序進行圖像預處理(濾波、增強等)和圖像后處理(抽取焊縫中心線、檢測特征信號點),得到偏差信號后,經控制算法得到控制信號,由執行機構控制步進電機作上、下、左、右4個方向的運動,調整焊槍自動對準焊縫。

      傳感器是焊縫跟蹤系統最為關鍵的部件,龍門焊機采用的是由Jetine公司自行研制的型號為MLP10-5的激光傳感器,其主要結構為CCD攝像機、激光二極管、鏡頭、圓柱透鏡、帶通濾光片和防飛濺罩等組成。其功率大,結構小巧,可與焊槍綁定一起使用,可發出激光條紋的寬度為12mm,調整靈敏度小于等于±0.2mm。激光傳感方法不僅能檢測出焊縫的中心位置,獲得焊縫的形狀和尺寸等特征參量,并且是無接觸的;而且激光光強大、頻帶窄的特點使焊縫跟蹤更為靈敏準確。如圖4所示,激光二極管發出的點光源經過柱狀透鏡變成一束線光源,垂直投射到工件表面,CCD傾斜接收,同時得到工件表面和高度方向的二維圖像信息,送入圖像采集卡[3、4]。

      圖5為焊縫位置發生變化時,激光帶在CCD中成像的示意圖,a、b、c、d、e依次為焊槍相對于焊縫位置準確、偏左、偏右、偏高、偏低時的成像示意圖。

      2基本操作

      龍門焊機的操作是通過控制器來實現的??刂破魃嫌蠸tart、Stop、Laser、Error、Seam 5個按鈕以及控制焊槍左右和上下移動的開關。焊縫跟蹤前按下Laser按鈕,將激光打開,激光傳感器將自動尋找焊縫并感應傳感頭距焊縫的位置,若傳感頭相對于焊縫位置過大或過小,超過了傳感頭的正常感應范圍,控制器面板會彈出錯誤信息“Fail to see the seam”,輕撥左右和上下移動開關直至錯誤信息消除,選擇焊縫的連接型式,調整左右和上下偏移量接近于零點。譬如,控制器面板上顯示“Y=+0.1mm,Z=-0.3mm”信息表示激光條紋中心點相對于焊縫正確位置在垂直方向向下偏移0.3mm,在水平方向向左偏移0.1mm。如果想讓傳感器相對于焊縫始終有這樣一個偏移量,請同時按下Laser和Seam按鈕,起用傳感器的示教(Teach)功能,則該位置被視為焊槍相對于焊縫的基準位置。跟蹤過程中傳感器在該位置觀測到焊縫,焊槍不做位置調整,偏離此位置,焊槍以此位置為基準做上下和左右調整,從而實現焊縫的跟蹤①。

      3工藝制定

      根據龍門焊機的工作特點,結合車頂的設計結構,為保證龍門焊機正常的工作,制定了使用龍門焊機時的配套工藝措施。

      3.1通長板供料尺寸精度要求

      保證通長板供料的尺寸精度,通長板平面度小于等于1mm/m2局部直線度小于等于5.0mm/cm,側頂板上邊緣平面度小于等于1mm/m2,局部直線度小于等于5.0mm/cm;控制車頂骨架彎梁的成形質量,要求彎梁的翼腹面垂直度小于等于90°,彎梁甩頭小于等于10mm,通長板兩端各留出300mm拉伸工藝余量。

      3.2通長板裝配質量要求

      配備與龍門焊機配套的焊接工裝,保證通長板的裝配精度,定位夾緊車頂,保證車頂放正放平;龍門焊機柔性不足,送絲機構不能根據焊縫的形態自動調節送絲速度,焊接速度一旦設定,焊接過程中也不能做調整,如果板與板之間閃縫過大,焊縫會出現欠絲,要求兩通長板板間裝配縫隙小于等于1.0mm;限于機動十字滑塊有效行程為120mm,要求通長板整車方向上的傾斜小于等于60.0mm;由于焊點對焊縫跟蹤以及焊縫成形的影響較大,必須控制焊點尺寸,要求焊點尺寸高度小于等于3.0mm,直徑小于等于10.0mm,保證彎梁與頂板密貼,以保證拉伸時頂板受力均勻,車頂不易發生變形。

      3.3通長板焊接工藝

      由于焊縫對油漆等有機物質十分敏感,焊縫經常出現氣孔、夾雜等缺陷,焊前2h內將焊縫兩側打磨光亮,并采用φ(Ar)80%+φ(CO2)20%干燥混合氣體保護。采用合理的焊接順序,焊前施以反變形以減少車頂上翹變形。焊后不要馬上將固定車頂的工裝夾具卸開,應間隔一定時間待車頂完全冷卻后再卸。

      由于車頂龍門焊機焊接速度較慢,單位時間空間的焊縫熱輸入量很大,焊后車頂鋼結構的上翹變形很大,嚴重時可造成頂板與骨架梁焊縫崩裂,采用合理的焊接規范參數以及施焊順序至關重要。表1是龍門焊機用于車頂焊接的規范參數,通長車頂板材質為耐候鋼09CuPCrNi-B,板厚為2.0mm。圖6為通長板的3種接縫形式,依次為船形焊、類仰焊、平焊。

      為控制焊接變形,將整個車頂3條通長焊縫分為3段,先焊車頂中心中頂板與中頂板的對接焊縫,具體施焊順序⑴、⑵、⑶,倒向焊接以減少焊接變形;再同時焊車頂兩側中頂板與側頂板的兩條船形或類仰形搭接焊縫,施焊順序⑷、⑸、⑹,同樣采用倒向焊接,如圖7所示。施焊前要仔細觀察焊縫裝配質量和打磨質量。

      3.4龍門焊機工作要求

      焊前檢查龍門焊機各器件工作是否正常,按照使用要求說明書定期更換易損器件,保證冷卻管路和吸塵管路的正常運行;定期檢查更換激光傳感器的防飛濺罩以及濾光片,保證防飛濺罩的正常工作和濾光片的清潔;MLP10-5型傳感器來說,其左右最大的偏移量范圍為-6.0-+6.0mm,透鏡有效工作高度范圍為-15-+20mm,焊槍相對于基準位置不得超過傳感器的工作范圍。

      表2是采用龍門焊機前后車頂焊縫成形、焊接效率、所耗焊材和焊接成本的一些數據對比。

       經過表2對比發現,采用龍門焊機后焊縫成形得到很大改善,焊接效率得到很大提高,焊接成本有效降低,經濟效益顯著。

      4常見故障及解決措施

       常見故障及解決措施見表3。

      5結論

      a、采用龍門焊機焊接車頂通長板焊縫,提高了焊接質量,降低了生產成本。b、實現激光自動跟蹤,提高了生產效率,降低了勞動強度。c、針對于車體總組裝時車頂雨檐下:條通長仰焊縫施焊位置不好,工人勞動強度大且焊縫成形不良,建議增設懸臂式激光跟蹤自動焊機。

      參考文獻:

      [1]中國機械工程學會焊接學會。焊接手冊?材料的焊接[M]北京:機械工業出版社,1992[2]周振豐。金屬焊接性[M]北京:機械工業出版社,1994[3]鞠益蘭,程金松6結構光式激光視覺傳感器的焊縫跟蹤系統[J]電焊機,2002,32(5):9-11[4]孫立新,韓煒,劉冰清,等6結構光焊縫檢測傳感器設計理論的研究[J]光學學,2003,23(2):225-230


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